（计算机应用技术专业论文）80216emac层协议分析及其cs子层的设计与实现.pdf

独创性声明 i i i f i f i | i i j | i i | | i f i | i f | 删| i | l 删j y 18 2 4 7 5 6 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆 整虫太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：囱勿嗣签字吼川年“严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆邮电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签字嗍7 中f 月尹日签字嗍加 年g 月乡日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 近年我国有线接入的宽带用户数量增长迅猛，用户对宽带数据业务的 需求迫切。国内的电信运营商普遍存在着由于覆盖、装备和环境限制等众 多因素造成的网络部署问题，无法满足用户不断增长的电信业务的需求， 此时宽带无线接入技术具有了特别的的现实意义。无线局域网( w l a n ) 技 术已经得到了广泛的应用，但是人们对于宽带无线通信的探索并未停止， 人们期待更大的覆盖范围、更高的信息速率、更好的服务质量。因此，i e e e 8 0 2 16 技术应运而生，它是一种全新的无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm e t r o p 0 1 i sa r e an e t w o r k ) 技术，峰值数据率达7 5 m b p s ，单基站覆盖半径最大达 4 8 千米，解决了宽带接入的“最后一公里 问题。 本论文的研究课题来源于当前最热门的w i m a x 研究项目“宽带无线 通信技术与设备研制 ，该项目的研发目标是根据i e e e8 0 2 1 6 e 标准进行 w i m a x 系统硬件平台设计和软件系统开发，实现w i m a x 系统。本文工 作重点是w i m a x 协议软件m a c 层的设计框架和模块划分；c s 子层的研 究与实现。 论文着重研究的是i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 5 标准。i e e e8 0 2 1 6 e 的空中接口 由物理层( p h y ) 和媒体接入控制( m a c ) 层组成。它的m a c 层分为三个子 层，分别为特定业务汇聚子层、m a c 公共部分子层和安全子层。汇聚子 层对外部网络的数据提供转换和映射；m a c 公共部分子层负责提供m a c 层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接管理；安全子 层用来提供鉴权、密钥交换和加密功能。i e e e8 0 2 16 e 的m a c 层是面向 连接的，不同类型的业务具有不同的服务质量( q o s ) 参数，从而为不同的 用户应用提供相应的q o s 保障。 关键词：w i m a x ，汇聚子层，连接标识符，分类器 重庆邮电大学硕士论文a b t r a c t a bs t r a c t r e c e n t l y ，t h eq u a n t i t yo fc a b l eb r o a d b a n da c c e s ss u b s c r i b e rh a sb e e n g r o w i n gf a s t ，a n dt h ed a t as e r v i c e sr e q u i r e m e n t sf r o mt h eu s e r sa r eh u g e n e s s h o w e v e rt h es e r v i c e sc a p a c i t yo ft h et e l e c o mo p e r a t o r sa r el i m i t e db e c a u s eo f t h er e s t r i c t e d c o v e r a g e ，e q u i p m e n t s a n de n v i r o n m e n t b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s sc a nb e u s e dt o r e m e d yt h ed e n c i e n c yo fc a b l en e t w o r k w l a n t e c h n o l o g i e sh a v eb e e ne m p l o y e dw i d e l y ，p e o p o l en e e dl a r g e rc o v e r a g e ，h i g h e r d a t ar a t ea n db e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ，s oi e e e8 0 2 16t e c h n o l o g i e sa r i s e sa t t h eh is t o r i cm o m e n t i t b e l o n g s t ow i r e l e s sm e t r o p o l i sa r e an e t w o r k t e c h n o l o g i e s i t sp e a kd a t ar a t ec o u l d b e7 5 m b p sa n dt h er a d i u so ft h e c o v e r a g ec o u l db e 4 8 k m i ti st h es o l u t i o nf o rt h e “l a s tm i l e ”p r o b l e mi n b r o a d b a n da c e e s s w i m a x ( i e e e8 0 2 16s t a n d a r d ) i st h eh o t t e s tw i r e l e s sn e t w o r k i n gt e c h n o - l o g i e s ，t h et o p i co ft h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c t “b r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h e r e s e a r c h a n dm a n u f a c t u r e o f e q u i p m e n t ”t h e6 n a la i mo ft h i sp r o j e c ti st oi m p l e m e n tw i m a xs y s t e m m yw o r ki nt h ep r o je c ti sf o c u so np a r to fc sp r o t o c o ls o f t w a r ed e s i g na n d i m p l e m e n t s t h ep a g e rm a i n i yu s e si e e e8 0 2 16 - 2 0 0 5f o rr e f e r e n c e i e e e8 0 2 16 e s t a n d a r ds p e c i i j e st h ea i ri n t e r f a c e ，i n c l u d i n gt h ep h y s i c a l ( p h y ) l a y e ra n dt h e m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e r t h em a c l a y e rc o m p r i s e st h r e es u b l a y e r s ： s e r v i c e s p e c i n cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ( s e v r i c e - s p e c i n cc s ) ，m a cc o m m o n p a r ts u b l a y e r ( m a cc p s ) a n d s e c u r i t ys u b l a y e r t h ec s p r o v i d e sa n y t r a n s f o r m a t i o n0 rm a p p i n go fe x t e r n a ln e t w o r kd a t a t h em a cc p sp r o v i d e s t h ec o r em a cf u n c t i o n ，i n c l u d i n g s y s t e ma c c e s s ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ， c o n n e c t i o ne s t a b “s h m e n t ，a n dc o n n e c t i o nm a i n t e n a n c e t h es e c u r i t ys u b l a y e r p r o v i d e s t h ef h n c t i o no fa u t h e n t i c a t i o n ，s e c u r e k e ye x c h n a g e ，a n de n c r y p t i o n t h em a cl a y e ro fi e e e8 0 2 16 ei sc o n n e c t i o n o r i e n t e d ，s e r v i c eo f v a r i o u st y p e sh a sd i f 托r e n tq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) p a r a m e t e r ，s ot h em a c l a y e rc a np r o v i d eq o sg u a r a n t e ef 0 rd i f f e r e n ts e r v i c e s k e yw o r d s ：w i m a x ，c s ，c i d ，c l a s s n e r i i 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准的发展进程l 1 28 0 2 1 6 的技术特点3 1 2 18 0 2 1 6 的物理层特点3 1 2 28 0 2 1 6 的m a c 层特点5 1 3w i m a x 与i e e e8 0 2 1 6 标准的关系6 1 4i e e e8 0 2 1 6 技术的应用与市场前景7 1 5 论文主要工作7 1 6 论文组织结构7 第二章i e e e8 0 2 1 6 em a c 层协议分析9 2 1i e e e8 0 2 1 6 e 协议栈模型9 2 2m a c 层各子层功能1 0 2 3m a c 层的关键技术1l 2 3 1 接入控制1 l 2 3 2 移动性支持1 l 2 3 3 节电功能1 2 2 3 4 带宽分配和请求机制1 2 2 3 5 调度服务15 2 3 6 连接与业务流l5 2 3 7 业务流管理1 6 2 3 8i e e e8 0 2 1 6 e 安全机铝0 1 8 2 4 本章小结1 9 第三章i e e e8 0 2 1 6 em a cc p s 层的软件设计方案2 0 3 1 基于i e e e8 0 2 1 6 e 的w i m a x 基站系统整体设计框图2 0 3 2m a cc p s 子层主要模块接口设计2 l 3 2 1 网络接入与初始化模块2 l 3 2 28 0 2 1 6 em a cp d u 数据构造处理模块2 2 3 2 3 服务流处理模块2 2 n i 重庆邮电大学硕士论文目录 3 2 4 无线资源管理模块2 3 3 2 5 连接管理模块2 4 3 3 本章小结2 4 第四章汇聚子层的设计与实现2 5 4 1h 9 2 0 0 f 简介2 5 4 2 嵌入式l i n u x 开发环境2 6 4 2 1 嵌入式l i n u x 开发环境的基本结构2 6 4 2 2 在l i n u x 服务器上安装交叉编译工具2 7 4 3 汇聚子层( c s ) 功能2 9 4 3 1 面向a t m 业务的汇聚子层2 9 4 3 2 面向分组业务的汇聚子层3 0 4 4i pc s ( 汇聚子层) 的实现框架3 l 4 4 1 分类器模块3 2 4 4 2 服务流管理模块3 6 4 4 3 负荷头处理模块3 7 4 4 4 缓存模块3 9 4 4 5 接收及分类模块4 0 4 4 6 其它模块4 l 4 5 本章小结4 2 第五章结论及未来的工作4 3 5 1 结论4 3 5 2 未来的工作4 3 致 谢4 4 攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果4 5 参考文献4 6 i v 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 当前，随着通信技术的迅猛发展，数据业务在电信总业务中的比例正 在不断扩大，特别是互联网的迅猛发展，信息网络正在快速向以i p 为基础 的下一代网络( n g n ) 演进。宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发 展潜力的接入技术之，其中基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准的宽带无线城域 网技术又以其经济便捷、运行简单、容量高、覆盖面广、能提供高速宽带 业务等突出优点正受到业界越来越多的关注。结合未来全球个人多媒体通 信的全面覆盖要求以及下一代宽带无线( n g b w ) 的概念与发展趋势看，宽 带无线接入技术已日益呈现出其重要性。 1 1i e e e8 0 2 16 标准的发展进程 i e e e8 0 2 1 6 标准【i j 又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，对工作 于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系 统覆盖范围在公里( k m ) 量级，因此i e e e8 0 2 16 系统主要应用于城域网。 根据使用频带高低的不同，i e e e8 0 2 16 系统可分为应用于视距和非视距 两种，其中使用2 一l l g h z 频带的系统可以应用于非视距( n l o s ) 范围， 而使用l o 6 6 g h z 频带的系统应用于视距( l o s ) 范围。根据是否支持移 动特性，i e e e8 0 2 16 标准又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移 动宽带无线接入空中接口标准【2 】。 表1 1 i e e e8 0 2 1 6 系列标准发展现状 标准号内容 i e e es t d 规定了工作在l o 一6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的空中 8 0 2 16 2 0 0 l接口物理层和m a c 层，由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视 距( l o s ) 传输，2 0 0 2 年发布，2 0 0 4 年被i e e es t d8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 替代。 i e e es t d 对之前颁布的8 0 2 1 6 2 0 0 l 标准进行了扩展，规定了工作在 8 0 2 16 a 2 0 0 32 1 1 g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物 理层和m a c 层，该频段具有非视距( n l o s ) 传输的特点，覆盖范围最 远可达5 0 公里，通常小区半径为1 0 公里以内；另外，8 0 2 1 6 a 的 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 m a c 层提供了q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。2 0 0 3 年1 月发布，2 0 0 4 年被i e e es t d 8 0 2 1 6 2 0 0 4 替代。 i e e es t d 是对8 0 2 1 6 2 0 0 l 标准的增补文件，它详细规定了1 0 6 6g h z 频 8 0 2 16 c 2 0 0 2段8 0 2 1 6 系统的p r o f i l e ，2 0 0 3 年1 月发布，2 0 0 4 年被i e e es t d 8 0 2 1 6 2 0 0 4 替代。 i e e es t di e e e8 0 2 1 6 d 标准1 3 l 是i e e e8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本。 8 0 2 16 2 0 0 4是相对比较成熟并且最具有实用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对 l0 6 6 g h z 频段和 1 l g h z 频段的固定宽带无线接入空中接口物理层 和m a c 层进行了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无 线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个i e e e 8 0 2 1 6 标准进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规范。它保 持了8 0 2 1 6 、1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模 式，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正 错误、不明确或不完整的描述，其中包括对部分系统信息的增补和修 订。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 i e e es t d 规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统【4 。5 】，工作在 8 0 2 16 e 一2 0 0 5 6 g h z 适宜于移动性的许可频段，支持车速移动，同时i e e e8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响，与i e e e8 0 2 1 6 d 技术相比，8 0 2 1 6 e 技术的p h y 层o f d m a 方式进行了扩展：m a c 层增加了支持移动切换的功能，如休眠期，小区搜索与同步，小区选 择及切换过程等，2 0 0 6 年2 日正式发布。 i e e es t d定义了8 0 2 1 6 固定接入系统m a c 层和物理层的管理信息库 8 0 2 16 f - 2 0 0 5( m i b ) 以及相关的管理流程。2 0 0 5 年1 2 月发布。 i e e es t dl e e e8 0 2 1 6 9 是2 0 0 4 年7 月份正式成立的任务组，标准制定的 8 0 2 1 6 9 目的是为了规定i e e e8 0 2 1 6 管理流程和接口，从而能够实现i e e e 8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。 i e e e8 0 2 1 6 9 标准的主要工作是围绕管理平面进行的。 i e e es t d 致力于解决共存问题，可以使w i m a x 适用于u h f 电视频段， 8 0 2 1 6 h 并避免与其他使用更高频率的w i m a x 设备之间的干扰使其能够满 足f c c 的要求，作为次要使用者使用空白的地面电视频道。 i e e es t d定义了8 0 2 1 6 移动接入系统m a c 层和物理层的管理信息库 8 0 2 1 6 i ( m i b ) 以及相关的管理流程，发布时间未明确。 i e e es t d i e e e8 0 2 16 j 标准是针对w i m a x 中继传输r e l a y 技术加以规范 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 8 0 2 16 j 的，内容包括支援中继台r e i a y s t a t i o n 只框架结构，规范用户台透过 中继台登入网络之测距，入网流程及使用中继台与基地台同步并避免 中继台相互干扰机制，同时i e e e8 0 2 16 j 规范了路由管理机制，混合 式自动重传请求机制。 i e e es t d 针对i e e e8 0 2 1 6 的桥接进行修改，使之能与8 0 2 1 6m a c 达到 8 0 2 1 6 k 兼容，已于2 0 0 7 年3 月份批准。 i e e es t di e e e8 0 2 1 6 m 协议是i e e e 工作组在2 0 0 6 年底启动的协议标准， 8 0 2 1 6 m 为了成为i t u 的i m t a d v a n c e d 候选标准。适应下一代移动通信网络 的需求，定义了一种基于w i r e l e s sm a n o f d m a 的增强型空口，计 划于2 0 0 9 年完成。 1 28 0 2 16 的技术特点 i e e e8 0 2 16 标准所关心的是用户终端同基站系统之间的空中接口， 并且主要定义空中接口的物理层和m a c 层。虽然i e e e8 0 2 16 标准系列包 含多个标准，但是由于8 0 2 1 6 d 是对8 0 2 1 6 、8 0 2 i6 a 、8 0 2 1 6 c 的修订， 目前主要提及两个标准：8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入标准、8 0 2 1 6 e 支持移 动特性的宽带无线接入标准睁7 1 。 1 2 18 0 2 1 6 的物理层特点 1 ) 应用频段 i e e e8 0 2 16 技术工作的频段非常宽，包括l0 6 6 g h z 频段、 1 1g h z 许可频段和 l lg h z 免许可频段。不同频段下的物理特性各不相同，如下 所示： 10 6 6 g h z 许可频段：在该频段，由于波长较短，只能实现视距传播。 典型的信道带宽为2 5 或者2 8 m h z ，当采用高阶调制方式时，数据速率能 够超过1 2 0 m b s 。 l lg h z 以下许可频段：在该频段，由于波长较长，能够支持非视距传 播。此时系统存在较强的多径效应，需要采用一些增强的物理层技术，如 功率控制、空时编码、智能天线、a r q 等。 1 1 g h z 以下免许可频段：该频段的传播特性与l l g h z 以下的许可频 段一样，区别是非许可频段可能存在较大的干扰，需要采用动态频率选择 d f s 等技术来解决干扰问题。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 2 ) 载波带宽 i e e e8 0 2 1 6 并未规定具体的载波带宽，系统可以采用从1 2 5 m h z 2 0 m h z 之间的带宽。考虑各个国家己有固定无线接人系统的载波带宽划 分，i e e e8 0 2 1 6 规定了几个系列：1 2 5 m h z 系列包括：1 2 5 2 5 5 1 0 2 0 m h z 等。1 7 5 m h z 系列包括：1 7 5 3 5 7 1 4 m h z 等。对于1 0 6 6 g h z 的固定无 线接人系统，还可以采用2 8 m h z 载波带宽，提供更高的接入速率。 i e e e8 0 2 1 6 支持灵活的射频信道带宽和信道复用( 频率复用) ，当网络 扩展时，可以作为增加小区容量的一种手段。当用户数增加时，运营商可 通过扇形化和小区分裂来重新分配频谱。此标准对多信道带宽的支持使设 备制造商能够提供一种手段，以适应各国政府对频谱使用和分配的独特管 制办法，这是世界各地的运营商都面临的一个问题。载波带宽的可调性有 利于避开干扰、节省频带资源并容易规划频率。 3 ) 调制方式 i e e e8 0 2 1 6 定义了三种不同的物理层调制技术：( 1 ) 单载波( s c ，s i n g l e c a r r i e r ) 体制：q p s k ，16 q a m ，6 4 q a m ，2 5 6 q a m 调制技术加频域均衡；( 2 ) 正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a if r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 体制： 2 5 6 f f to f d m 调制技术；( 3 ) 正交频分多址( o f d m a ，o r t h o g o n a lr e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c e e s s ) ：2 0 4 8 f f to f d m 调制技术。 对于1 0 6 6 g h z 视距频段的无线接人系统，多径衰落是可以忽略的， 因此i e e e8 0 2 1 6 规定在该频段采用单载波调制体制。 对于2 1 l g h z 非视距频段，必须考虑多径衰落。为宽带无线接入( b w a ) 设计的o f d m 支持较长距离传输，在抵抗多径衰落或窄带干扰上具有明显 的优势。因此，在该频段优先选用o f d m 调制方式，此时可以选择 b p s k ，q p s k ，l6 q a m 或6 4 q a m 作为每个子载波的调制方式。 为了在各种信道环境下提供可靠的性能，i e e e8 0 2 16 物理层还具备 以下一些特点：灵活的信道宽度、自适应突发信号轮廓、采用r e e d - s o l o m o n 与卷积级联码的前向纠错、任选的先进天线系统( a a s ) ( 可改善距离容量) 、 动态频率选择( d f s ) ( 可帮助减小干扰) 、空时编码( s t c ) ( 通过空间分集提 高在衰落环境下的性能) 。 4 ) 双工方式 i e e e8 0 2 1 6 支持时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 模式。两种模式下 都采用突发( b u r s t ) 格式发送。在每一帧中，b s 和各个s s 可以根据需要灵 活地改变突发的类型，从而选取适当的发射参数，如调制方式、编码类型 等。在f d d 模式下，系统支持全双工s s ，也支持半双工s s 。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 上行时，物理层基于时分多用户接入( t d m a ) 和按需分配多用户接入 ( d a m a ) 相结合的方式。上行信道被划分为许多个时隙，初始化、竞争、 维护、业务传输等应用都是通过占用一定数量的时隙来完成的，其占用的 数量由b s 的m a c 层统一控制，并根据系统性能优化要求而动态改变。下 行信道采用时分复用( t d m ) 方式，b s 侧产生的信息被复用成单个的数据 流，广播发送给扇区内的所有s s 。每个s s 接收到广播消息后，在m a c 层中提取检查消息连接的c i d 信息，从而判断出发给自己的信息，丢弃其 他信息。b s 还可以以单播、多播的方式向一个或一组s s 发送消息。为了 支持半双工f d d 方式下的s s ，协议为下行链路提供一部分t d m a 访问方 式。 5 ) 编码方式 i e e e8 0 2 1 6 采用了截短的r s 编码和卷积码级联的纠错编码，并且还 支持分组t u r b o 码、卷积t u r b o 码。i e e e8 0 2 1 6 可以根据不同的调制方式 和纠错编码方法组合成多种发送方案，系统可以根据信道状况的好坏以及 传输的需求来选择一个合适的传输方案。 1 2 28 0 2 1 6 的m a c 层特点 i e e e8 0 2 1 6 标准的m a c 层协议1 8 】在上行通道分配带宽时，采用的是 一种基于预留的集中控制方式。上行通道可以看作是一个由竞争和预留的 发送机会( t r a n s m i to p p o r t u n i t y ) 动态组成的微时隙( m i n i s l o t ) 流。s s 以简单 的重传机制并使用竞争微时隙向b s 发送上行通道的带宽申请。b s 收到申 请后，即按照一定的策略统筹安排，并分配一段连续的微时隙给s s 用于 发送。b s 在下行通道上通过发送m a p 消息来通知s s 给它分配了哪些微 时隙。 m a c 层寻址方式具有其独特性：在下行链路中，b s 按t d m 方式向 扇区内所有的s s 发射数据，各s s 则根据接收消息中的c i d 地址来判断 b s 发射的数据是否是属于自己的消息。上行数据发射时，s s 顺便携带 c i d 的带宽请求消息，b s 按需分配并预定s s 下一帧接入时间。s s 则通过 从上一下行帧收到的上行链路分配映射表提供的消息来确定接入时间和 带宽，从而按t d m a d a m a 方式接入b s 。 i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层是靠同意请求协议来接入媒体的，它可以消 除确认消息的开销和延时来支持不同的服务水平。此协议在下行链路采用 t d m 数据流，而在上行链路则采用t d m a ，通过集中调度来支持对时延 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 敏感的业务。由于可以确保无碰撞数据的接入，8 0 2 16 的m a c 层可明显 改善带宽效率和接入时延。 i e e e 客0 2 16 中提供q o s 支持的基本机制是把在m a c 层接口传送的数 据包与用c i d 标识的连接相联系，每个服务流就是一定q o s 要求的单向 数据包流。由于所有业务都是基于连接的，因此，无论是面向连接的语音 业务，还是无连接的数据传输业务，都必须与某一个连接相联系。连接可 为系统的带宽请求、q o s 支持提供最基本的保证机制，并且根据连接能将 数据传输和路由到正确的汇聚子层。m a c 层通过针对不同连接可以设置 不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标。通过指定一种调度服务和它相 关的q o s 参数，b s 能预测上行链路业务的吞吐量和时延需求，并在适当 的时候提供轮询授予。 此外，i e e e8 0 2 16 标准的系统可以根据连接的q o s 特性和实际业务 需要来动态分配带宽，这一点不同于传统的移动通信系统所采用的分配固 定信道的方式，因而该系统具有更大的灵活性，可以在满足q o s 要求的前 提下尽可能地提高资源利用率。 1 3w i m a x 与i e e e8 0 2 16 标准的关系 虽然标准的制定是某项技术被广泛接纳的关键，但事实表明，一个标 准的通过并不意味着这项技术就一定会被市场所接纳。要被市场广泛接 纳，就必须克服诸如互操作性和部署成本等障碍，其中互操作性尤其重要。 互操作性意味着最终用户可以购买自己偏好的品牌，拥有他们想要的特 点，并知道它怎么与其他认证过的类似产品一起工作。要真正获得市场， 产品必须首先被认证是符合标准的，然后还必须证明它们是可以互操作 的。但克服上述障碍并不是i e e e 的职能，需要由业界来做。 w i m a x i ，1 的全称为w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ， 可称为全球微波接入互操作系统。w i m a x 是一个非赢利的工业贸易组织， 它由众多业界领先的通信组件公司及设备制造商共同组建。这个组织的目 的就是对基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产 品进行一致性和互操作性认证。通过该组织认证的产品符合i e e e8 0 2 1 6 标准的要求，具有一致性和互操作性，可用于宽带无线接入的应用。 由此可见，w i m a x 与i e e e8 0 2 16 之间有着非常紧密的关系，但同时 它们在分工上又存在不同，具体来说就是，后者是标准的制定者，前者又 6 重庆邮电人学硕十论文 是标准的推动者，前者将对产品是否符合后者的要求进行认证。目前， w i m a x 几乎己经成为i e e e8 0 2 1 6 标准的代名词。 1 4i e e e8 0 2 16 技术的应用与市场前景 i e e e8 0 2 1 6 d 可以支持1 0 g h z 6 6 g h z 的视距传播频段以及1 l g h z 以 下的非视距传播频段。根据不同频段的传播特性，其应用也有所不同。对 于l o g h z 6 6 g h z 的视距传播频段，由于终端需要有室外天线，其应用主 要是为中小企业提供b a c k h a u l 的无线传输。对于1 1g h z 以下的非视距传 播频段，由于能够实现室内覆盖，其应用将主要集中在为个人用户提供宽 带数据业务。除此之外，i e e e8 0 2 16 【1 0 。11 l 还可以实现企业w i f i 热点区域 的后端传输功能，以及局域网互联、数据专线、窄带业务和基站互联等。 与其它移动通信系统相比，i e e e8 0 2 16 e 系统具有较高的频谱利用率 和传输速率，因而它适合提供宽带上网和移动视频业务。 与其它有线接入手段( 如x d s l ，c a b l e ，光纤接入等) 相比，i e e e8 0 2 1 6 e 宽带无线接入具有部署速度更快、扩展能力更强、灵活性更高等优点。对 于人口密度较低及不便于铺设x d s l 的地区，可以用i e e e8 0 2 1 6 提供“无 线d s l ”服务，面向家庭和小企业范围应用。在中等规模企业的楼宇内， i e e e8 0 2 16 可以支持高速率连接，代替光纤接入。 1 5 论文主要工作 本论文针对“宽带无线通信技术与设备研制”的科研课题，对i e e e 8 0 2 1 6 e 协议进行追踪和分析，结合i e e e8 0 2 1 6 em a c 层协议的特点和功 能，给出了一个m a c 层设计方案，结合该方案对c s 子层作进一步研究并 在嵌入式l i n u x 操作系统下予以实现，同时详细介绍了分类器的设计与实 现。 1 6 论文组织结构 本文的正文共分五个部分，论文的内容结构安排如下： 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章“绪论”，对i e e e8 0 2 1 6 系列标准进行跟踪研究介，绍了i e e e 8 0 2 1 6 协议的标准化进展及其技术特点，最后说明了本文的主要工作和本 论文的结构安排； 第二章“i e e e8 0 2 1 6 em a c 层协议的分析”对i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 协议 所规定的m a c 层的三个子层：汇聚子层、公共部分子层和安全子层分别 进行了详细的分析总结。 第三章“i e e e8 0 2 1 6 em a cc p s 层的协议软件设计方案 根据项目功 能需求，结合i e e e8 0 2 1 6 协议，完成w i m a x 系统整体框架的设计，并 对公共部分子层重点接口模块进行了详细介绍。 第四章“汇聚子层的设计和实现 ，首先介绍了实际开发过程中所选 用的操作系统及其开发环境，基于前面的研究结果描述了在嵌入式l i n u x 操 作系统下实现汇聚子层功能的软件设计和实现。 第五章“结论及未来的工作 ，对论文进行总结，指出了项目实现中 的需要扩展及改进的地方。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 em a c 层协议分析 第二章i e e e8 0 2 16 em a c 层协议分析 本章主要介绍移动宽带无线接入空中接口标准i e e e8 0 2 16 - 2 0 0 5 的协 议模型，物理层、m a c 层的关键技术，以及其支持移动性的增强技术，如 接入管理、终端管理、移动性管理等。 近年来，宽带无线接入( b w a ) 凭借其在初期投资、业务承载与提供服 务的速度方面具有的独特优势及广泛的市场应用前景，成为近几年通信市 场发展的一个热点。i e e e 于2 0 0 4 年发布了i e e e8 0 2 16 - 2 0 0 4 ( 即8 0 2 16 d ) ， 该标准只支持固定终端的通信。为了满足用户对移动性的需求，i e e e8 0 2 工作组在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上，又提出了增补方案i e e e8 0 2 1 6 e 。 i e e e 8 0 2 16 e 支持移动终端，填补了高速率无线局域网和高移动性蜂窝通信系统 之间的空白，为企业和用户提供了对固定和移动业务的双重支持。2 0 0 5 年 1 2 月i e e e8 0 2 1 6 e 正式发布为i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 5 标准。 2 1 i e e e8 0 2 16 e 协议栈模型 i e e e8 0 2 1 6 e 规范的协议栈模型如图2 1 所示： ji( c ss a p 广一 特定业务汇聚子层 管理实体 j 。 特定业务汇聚子层 一m a cs a p 卜一 m a c m a c 公共部分子层 网 管理实体 络 m a c 公共部分子层 管 加密子层 理 加密子层 系 统 r ( p h y s a p 卜一 ji 、 、1 物理层 l 管理实体 f 1 j h y 7 l 物理层 1 1 图2 1i e e e8 0 2 1 6 e 协议参考模型 9 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 em a c 层协议分析 i e e e8 0 2 1 6 e 规范的协议栈模型【1 2 l 和i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 相同，i e e e 8 0 2 16 em a c 层规范采用分层结构，共分为三个子层：汇聚子层( c s ) 、公 共部分子层( c p s ) 和安全子层( s s ) 。i e e e8 0 2 1 6 e 协议结构如图2 1 所示。 2 2m a c 层各子层功能 i e e e8 0 2 16 e 的m a c 层各个子层的功能【】概括如下： c s 子层：其主要功能是负责将其s a p 收到的外部网络数据转换和映 射到m a c 业务数据单元( s d u ) ，并传递到m a c 层的s a p 。即把面向连接 的公共部分服务( m a c 服务) 映射成标准类型的服务。 协议定义了两种c s 类型：a t mc s 和分组c s 。a t mc s 子层提供对 a t m 业务的支持；分组c s 提供对i e e e8 0 2 3 ( e t h e r n e t ) ，8 0 2 1 q ( v l a n ) ， i p ( i p v 4 ，i p v 6 ) 等分组业务的映射。在分组c s 子层中，定义了分类器 ( c l a s s 讯e r ) 的概念。分类器是一列映射规则的集合，每个进入i e e e8 0 2 16 e 网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为相应的连接。s s 进入网络时 可以通过空中接口从基站( b s ) 侧获得分类器。m a c 层的每个连接由长度为 1 6 b i t 的连接标识( c i d ) 惟一标识，这种基于连接的机制是提供q o s 保障的 基础。 c p s 子层：它是m a c 的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分 配、连接建立和连接维护等。它通过m a cs a p 接收来自各种c s 层的数 据并分类到特定的m a c 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施q o s 控制。通常说的m a c 层主要指m a cc p s 。 s s 子层：它是可选部分，主要功能是提供认证、密钥交换和加解